Przełom w badaniach nad kryształami czasu. To drzwi do budowy urządzeń kwantowych

Naukowcy zaobserwowali, że w nadciekłym helu-3 kryształy dwukrotnie wymieniły kwazicząstki bez zakłócania ich spójności. To proces, który zdaniem badaczy, otwiera nowe możliwości dla wielu dziedzin – m.in. kwantowego przetwarzania informacji.

– Kontrolowanie interakcji dwóch kryształów czasu jest dużym osiągnięciem. Wcześniej nikt nie zaobserwował dwóch kryształów czasu w tym samym układzie, nie mówiąc już o ich interakcji. Kontrolowane interakcje są numerem jeden na liście życzeń każdego, kto chce wykorzystać kryształ czasu do praktycznych zastosowań, takich jak kwantowe przetwarzanie informacji – powiedział główny autor badań Samuli Autti, fizyk z Uniwersytetu Lancaster w Wielkiej Brytanii.

Kryształy czasu od lat budzą fascynację. Wyglądem przypominają zwykłe kryształy, ale mają dodatkową, osobliwą właściwość.

W zwykłych kryształach atomy tworzą ustaloną, trójwymiarową strukturę siatki, podobną do struktury atomowej diamentu czy kwarcu. Te powtarzające się siatki mogą różnić się konfiguracją, ale nie przesuwają się – powtarzają się tylko w przestrzeni.

W kryształach czasu atomy zachowują się nieco inaczej. Oscylują, wirując najpierw w jednym kierunku, a potem w drugim. Te oscylacje zachodzą w regularnej i określonej częstotliwości. Tak więc w kryształach czasu siatki powtarzają się w przestrzeni i czasie.

Teoretycznie kryształy czasu oscylują w najniższym możliwym stanie energetycznym, znanym jako stan podstawowy, i dlatego są stabilne i spójne przez długi czas.

Samuli Autti wraz z zespołem naukowców z Wielkiej Brytanii i Finlandii najpierw schłodził hel-3 do temperatury zera absolutnego (−273,15 °C = 0 K) z dokładnością do jednej dziesięciotysięcznej stopnia. W ten sposób uzyskali nadciekły hel-3 – płyn o zerowej lepkości i niskim ciśnieniu.

W tej postaci dwa kryształy czasowe wyłoniły się jako przestrzennie odrębne kondensaty kwazicząstek magnonowych Bosego-Einsteina. Magnony są kwazicząsteczkami opisującymi elementarny kwant propagujących się wzbudzeń spinowych w krysztale.

Kiedy fizycy pozwolili, aby dwa kryształy czasu się zetknęły, doszło między nimi do wymiany magnonów. Proces zmienił oscylację na przeciwną fazę, bez utraty spójności.

Wyniki obserwacji były zgodne ze zjawiskiem nadprzewodnictwa, znanym jako efekt Josephsona, w którym prąd przepływa między dwoma kawałkami materiału nadprzewodzącego, oddzielonymi cienkim izolatorem znanym jako złącze Josephsona.

Struktury te są jednymi z kilku badanych pod kątem budowy kubitów, podstawowych jednostek informacji w komputerze kwantowym.

Zaobserwowana interakcja między kryształami czasu to prosty proces, ale naukowcy pokładają w nim ogromne nadzieje. Badania otwierają drzwi do tworzenia i kontrolowania bardziej wyrafinowanych interakcji między kryształami.

„Nasze wyniki pokazują, że kryształy czasu są zgodne z ogólną dynamiką mechaniki kwantowej i stanowią podstawę do dalszych badań podstawowych właściwości tych faz, otwierając ścieżki dla możliwych zastosowań w rozwijających się dziedzinach, takich jak kwantowe przetwarzanie informacji” – napisali naukowcy w artykule.

„Długożyciowe spójne systemy kwantowe z dostrajalnymi interakcjami, takie jak badane tutaj kryształy czasowe, stanowią platformę do budowy nowych urządzeń kwantowych opartych na zjawiskach spójnych spinowo” – twierdzą autorzy analizy.

Badania zostały opublikowane w Nature Materials.